[논문]식물공장 적용 디지털 트윈 프레임워크 설계 연구

고태환; 노석봉; 노동희; 최주환; 임태범

doi:10.5909/jbe.2021.26.4.377

식물공장 적용 디지털 트윈 프레임워크 설계 연구
Study of Implementation as Digital Twin Framework for Vertical Smart Farm 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.26 no.4, 2021년, pp.377 - 389

고태환 (한국전자기술연구원 전북지역본부) , 노석봉 (한국전자기술연구원 전북지역본부) , 노동희 (한국전자기술연구원 전북지역본부) , 최주환 (한국전자기술연구원 전북지역본부) , 임태범 (한국전자기술연구원 전북지역본부)

초록
AI-Helper

본 연구는 수직형 스마트팜, 즉 식물공장 관리의 디지털화를 위한 시스템의 구현을 위한 프레임워크 설계를 제안한다. 본 연구에서 제안한 디지털 트윈 시스템의 세부 프레임워크 모듈은 1) 스마트 식물공장 트윈 클라이언트 2) 스마트 식물공장 트윈 게이트웨이 및 3) 스마트 식물공장 트윈서버로 구현하였다. 특히 스마트 식물공장 트윈 게이트웨이는 디지털 트윈의 구현을 위한 표준 개방형 하드웨어 플랫폼으로 주로 사용되는 Eclipse Ditto를 사용하여 구현하였다. 또한, 각 요소는 초기화 및 데이터 전송과 같은 메시지 시퀀스를 정의하여 클라이언트, IoT 게이트웨이, 서버와 각기 통신이 가능한 인터페이스를 설계하였다. 본 연구에서 제안된 프레임워크의 검증을 위하여 식물공장에서 별도로 설치한 라즈베리파이를 통해 환경 및 제어데이터를 수집하여 이를 가상환경에 가시화하는 형태의 프로토타입 디지털 트윈 시스템을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a framework design of a digital twin system for a vertical smart farm. In this paper, a framework of digital twin systems establishes three factors: 1) Client 2) IoT gateway, and 3) Server. Especially, IoT gateway was developed using the Eclipse Ditto, which has been commonly used as the standard open hardware platform for digital twin. In particular, each factor is communicating with the client, IoT gateway, and server by defining the message sequence such as initialization and data transmission. In this paper, we describe the digital twin technology trend and major platform. The proposed design has been tested in a testbed of the lab-scale vertical smart-farm. The sensor data is received from 1 Jan to 31 Dec 2020. In this paper, a prototype digital twin system that collects environment and control data through a raspberry pi in a plant factory and visualizes it in a virtual environment was developed.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 디지털 트윈 시스템 구조 Fig. 1. Digital twin system structure
그림 그림 2. 데이터베이스 구조 Fig. 2. Database Structure of Digital Twin
표 표 1. 디지털트윈 시스템 내 주요 수집 환경데이터 Table 1. Environment Data of Digital Twin System
그림 그림 3. 웹 어플리케이션 실행 시 시퀀스 다이어그램 Fig. 3. Sequence diagram when running web application
그림 그림 4. 환경 데이터를 주고 받는 시퀀스 다이어그램 Fig. 4. Sequence diagram for sending and receiving environmental data
그림 그림 5. 각 모듈 간 인터페이스 연결이 정상일 경우 Fig. 5. Interface connection between each module is normal
그림 그림 6. 각 모듈 간 인터페이스 연결이 해제되고 재 연결된 경우 Fig. 6. Interface connection between each module is reconnected
그림 그림 7. IoT 기기와 서버 간 데이터 전송에 따른 오류 조치 과정 Fig. 7. Error Handling process according to data transmission between IoT device and server
그림 그림 8. IoT 기기와 Ditto Gateway 간 데이터 전송에 따른 오류 조치 과정 Fig. 8. Error Handling process according to data transmission between IoT device and Ditto Gateway
그림 그림 9. 식물공장 적용 작물에 대한 3D 모델링 Fig. 9. 3D modeling of plant applied crops for plant factory
그림 그림 10. WebGL을 통해 식물공장 내 Rack 모델링 Fig. 10. Rack modeling in plant factory through WebGL
그림 그림 11. WebGL을 통해 구현된 식물공장 가상환경 Fig. 11. Plant factory virtual environment implemented through WebGL
그림 그림 12. 현실세계 식물공장에서 수집된 데이터에 대한 가시화 그래프 조회 화면 Fig. 12. Visualization graph inquiry screen for data collected in real world plant factory

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